平流式抬耙式刮泥刮渣机的设计

华北理工大学轻工学院 Qing Gong College North China University of Science and Technology 毕业设计说明书 设计题目 设计题目 重型悬挂式刮泥机传动装置重型悬挂式刮泥机传动装置 学生姓名 学生姓名 韩鹏韩鹏 学学 号号 201324190807 专专 业 业 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 班班 级 级 2013q 机械机械 8 班班 所属学院 所属学院 机械工程学院机械工程学院 指导教师 指导教师 林艳华林艳华 副教授副教授 2017 年年 5 月月 30 日日 摘要 摘摘 要要 参考资料 知道了现在刮泥机的现状 根据所学的电子学 力学 材料学 的知识 依据所给出的任务书设计出了一款自动控制平流式抬耙式刮泥刮渣机 设计图纸依靠 CAD 画出 说明书分为四个部分 第一为绪论 主要介绍自动控制平流式抬耙式刮泥刮 渣机的设计来源 刮泥机的应用方面 刮泥机的优缺点和先进性以及自动控制 平流式抬耙式刮泥刮渣机的发展前景 第二部分为自动控制平流式抬耙式刮泥 刮渣机的电机 刮泥量刮泥刮渣板 刮臂的设计以及桥梁的强度选择计算 它 主要介绍自动控制平流式抬耙式刮泥刮渣机的机构组成 主要运动部件的设计 计算 第三部分自动控制平流式抬耙式刮泥刮渣机传动机构的设计计算 这部 分主要介绍了 车轮和轨道的选择 卷扬装备的的设计计算 驱动方式的选择 减速器的选择 第四部分为自动控制平流式抬耙式刮泥刮渣机的控制系统的设 计 这一部分主要介绍了 PLC 控制平流式抬耙式刮泥刮渣机运动的设计 另外 不包括逻辑处理功能之外 PLC 一般拥有强大的数据计算能力 能够适用在不 同数字控制方面 不同不一样的能力单元大大出现 令 PLC 发展到了到了位置 控制 温度控制 CNC 等各各工业控制方面中 再加上 PLC 沟通能力的大大 增加及人机交流技术的极快发展 使得利用 PLC 构成各种各样的控制系统变得 非常简单刮泥机的运动方式为抬耙电机启动 刮泥板刮渣板抬耙到一定高度 驱动电机启动 落耙到工作位置工作 工作完成抬耙到初始位置 关键词 自动控制 过载保护 桥梁 PLC Abstract I Abstract Operation mode to according to the mechanics materials agency for certain aspects knowledge the requirements and design of a home grown control flat streaming lift rake scraping mud scraper slag machine Using caxa software CAD complete drawings Automatic control smooth streaming lift rake mud scraper slag machine drives is scraping in auto pick up rake the mud scraper machine drives is a mechanical transmission facilities in turn automatically lifted the overload of new this device can make device overloading occurs will rake ascension allowing after overload area and automatically return To achieve continuous operation automatic gradually eliminate overload area The design of the main content is divided into four sections Introduction on the one hand the first part of the topic of introduced mud scraper machine sources and mud scraper slag machine utility and the wind blow job requirement mud scraper advanced and advantages and disadvantages of slag machine and scraping mud scraper development prospects of slag machine On the other hand involve design mud scraper scrape the main content of slag machines methods and prospective goal The second part is carried is automatic control flat streaming scraping mud scraper rake slag machine driving scraper blow arm design calculation it mainly introduces automatic control smooth streaming lift rake mud scraper scrape the machine parts of institutions mainly design calculation and the strength of the bridge check calculation The third part is the automatic control smooth streaming lift rake mud scraper slag machine drive mechanism scraping design calculation it mainly introduces automatic control smooth streaming lift rake mud scraper slag machine drive mode scrape the choice Drive power calculation Roll Yang device design calculation Device drivers identified The fourth part for automatic control flat streaming lift rake the scraping mud scraper slag machine control system design it mainly introduces automatic control smooth streaming lift rake scraping mud scraper slag machines using PLC automatic control system realizing drive motor down start up to a certain height harrow motor launch driver motor stop once let overload area then start carry rake motor fell rake to original position outage this operation process KeyWords automatic control overpower protection approach PLC 目录 II 目目 录录 摘 要 I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1 1 任务书要求 2 1 2 课题研究 3 1 3 设计方案 3 1 5 维修与试运转常出现的问题与解决方法 4 第2 章行车机构 刮泥板 刮臂设计 6 2 1 刮泥刮渣板的运动选择 6 2 1 1 刮泥刮渣板结构设计 6 2 1 2 刮臂 刮板连接设计 7 2 3 3 主梁的强度和刚度设计计算 11 2 2 桁架结构计算与校核 12 2 2 1 材料的选择 13 2 2 2 桁架的内力计算 13 2 2 3 梁强度校核 16 2 3 4 传动长轴设计计算 17 第 3 章驱动机构设计与计算 19 3 1 驱动方式的选择 19 3 2 车轮及轨道的确定 20 3 2 1 车轮的确定 20 3 2 2 轨道的铺设要求 21 3 2 3 轨道的选择 22 3 4 驱动功率计算 23 3 5 卷扬装置的设计计算 25 3 5 1 刮泥板起吊时的受力分析 25 3 5 2 钢丝绳直径的确定 27 3 6 倾覆力矩计算 28 3 7 驱动车轮打滑验算 29 3 8 驱动装置的确定 30 3 8 1 驱动电机的选择 30 3 8 2 减速器的选择 31 目录 III 第 4 章自动化控制系统的设计 33 4 1 电气控制系统 33 4 2 集电装置及端头立柱 34 4 3 端头立柱高度的确定 35 4 4 自动化控制系统 35 4 4 1 PLC 简述 35 4 4 2 PLC 的应用特点 36 4 4 3 PLC 的应用领域 37 4 4 5 PLC 的选择 38 4 4 6 PLC 控制要求 38 4 4 7 PLC 的 I O 分配表 39 4 4 8 PLC 控制原理框图 39 4 4 9 PLC 接线图 40 4 4 10 控制系统的功能描述 40 结 论 42 参考文献 43 谢 辞 44 第 1 章绪论 0 第第 1 章章 绪论绪论 一 选题背景一 选题背景 现代社会变化和政策的改变 排污处理越来越重要 现在很多城市的污水处理厂都 需要一些自动化的机械设备来处理 并且我国的污水处理设备生产开始于 70 年代初 90 年代后又对主要的污水处理设备生产企业进行了技术改进 到现在虽然经过了将 近 50 年的发展但是还是跟一些工业发达的国家存在一些差距 发达国家的污水处理具有以下特点 城市污水和工业废水以实现标准化 定型化 成 套化 已构成门类齐全 商品化程度较高的水处理产品 现在需要研制出一款能耗 低 体积小 功率大 向着机电一体化方向发展的 适用范围广泛的新型污水处理 设备 并将一些高新技术也渗入水处理机械制造中来 例如水处理仪表不仅包括各 式各样的检测 转换 显示 调节 执行等传统部件 并能使水工业机械及仪表控 制能做到程序转换控制 连锁保护 自动冲洗 信息传递 遥控遥测 处理数据 计算机控制和自寻故障诊断 耐用性以及适应自动化控制需要 我国与国外水处理 工艺设备存在很大的差异 然而水处理的理论研究比起设备的差距更大 这将是我 国水工业工作者所担负的重大责任 所以我选择了自动控制平流式抬耙式刮泥刮渣机作为我的毕业设计的课题 我 经过查阅资料和网络查询全国生产刮泥机的厂家 知道了抬耙式刮泥机的现状 并 对其主要参数进行参考 上网看了看了全国生产刮泥机的公司 知道了自动平流式 抬耙式刮泥刮渣机的现状 参考了厂家对于刮泥机电机 减速器的选择由此我逐渐 完成了自动控制平流式抬耙式刮泥刮渣机的设计 自动控制平流式抬耙式刮泥刮渣机的先进性在于自动控制平流式抬耙式刮泥刮 渣机的驱动装置是在自动提耙刮泥机驱动装置是在机械回转传动设备中的一种新型 的过载自动提升装置 该装置能够使设备过载发生时 将该装置能够使设备过载发 第 1 章绪论 1 生是将耙提升从而让过过载区 并自动回位 实现连动的运转 可以自己通过过载 区域 在水厂和污水处理站中 因为污水中悬浮物的形状 密度的不同 它不仅效 率高 适应性好还降低了劳动强度 并且它可以处理一些体积较大的悬浮物 因此 自动控制平流式抬耙式刮泥刮渣机应用广泛不仅可以应用在污水处理还可以用在一 些粉尘 泥沙多的行业比如钢铁 开矿等 1 1 任务书要求任务书要求 主要研究目标 基本做到全自动控制 并且拥有手动控制的能力用于检验 调试 试用的时候 使用 工作平稳 超出载载或者碰到障碍时能够蜂鸣报警并且自动停车 主要研究内容 1 传动部分 根据任务书所选电机在刮泥机中间 通过传动轴和减速器将输出 动力传出去 2 卷扬安装 可以管制刮泥耙和刮渣耙的放下动作 前往时空行程将二耙抬起 运转 往复行程结束时都要牢固刹车并行程开关 3 桥梁设计 刮泥耙 刮渣耙 驱动装置 卷扬等都安装在桥梁上 所受刮泥 和刮渣时的阻力 进行桥梁构造计算和强度设计计算 4 主动控制系统 由一端刮泥和刮渣至另一端后自动前往 停留 6 小时再做功 5 自动运转 由一端刮泥和渣至另一端后自动前往 停止 6 小时再进行一个做 功流程 6 池底部刮泥 并清除水面的固体污物 将污泥运到集泥坑内 将浮渣推到外 面浮渣槽内 7 去程刮泥 刮渣反程将刮渣耙提出水面 刮泥耙提升 1000mm 以上 8 已知条件 第 1 章绪论 2 沉淀池宽 6000mm 沉淀池长 15000mm 沉淀池污水深度 3000mm 污 水在池内停留 2 小时 悬浮物含量 400mg l 悬浮污去除率按 60 计 刮泥机运 行速度 1m min 池底污泥表观密度 1 05t m3 水下刮泥板可取 400 500mm 高 取 500mm 水下刮渣耙根据经验可取 150mm 高 1 2 课题研究课题研究 沉淀是给水和排水工艺流程中的环节之一 沉淀池排泥直接影响水质处理的效 果 采用机械排泥可以减轻劳动强度 保证沉淀效果 自动控制平流式抬耙式刮泥刮渣机多用于平流初沉池 按水流方向 可分为逆 向刮泥逆向排渣和逆向刮泥同向排渣方式 刮泥机构在不刮泥回程时刮泥耙全部抬 起 当回到刮泥的起始位置时 刮泥耙落下 这样周而复始的工作 本机由桥梁机 构 卷扬装置 刮泥刮渣装置 刮板升降机构 程序控制及限位装置等组成 1 3 设计设计方案方案 设计的主要内容包含自动控制平流式抬耙式刮泥刮渣机的动力部分 机架机构 减速部分 刮泥刮渣部分 刮渣板的升降等 主要的研究内容 传动部分 根据任 务书所选电机在刮泥机中间 通过传动轴和减速器将输出动力传出去 卷扬控制 可以管制刮泥耙和刮渣耙的放下动作 前往时空行程将二耙抬起运转 往复行程结 束时都要牢固刹车并行程开关 桥梁设计 刮泥耙 刮渣耙 驱动装置 卷扬等都 安装在桥梁上 所受刮泥和刮渣时的阻力 进行桥梁构造计算和强度设计计算 自 动控制系统 由一端刮泥和刮渣至另一端后自动前往 停止 6 小时再做功 主要的设计方面有自动控制平流式抬耙式刮泥刮渣机的机构 工作流程 自动 控制平流式抬耙式刮泥刮渣机的先进性在于自动控制平流式抬耙式刮泥刮渣机的驱 动装置是在自动提耙刮泥机驱动装置是在机械回转传动设备中的一种新型的过载自 动提升装置 该装置能够使设备过载发生时 将该装置能够使设备过载发生是将耙 提升从而让过过载区 并自动回位 实现连动的运转 可以自己通过过载区域 自 第 1 章绪论 3 动平流式抬耙式刮泥刮渣机的控制系统他主要介绍自动平流式抬耙式刮泥刮渣机利 用 PLC 自动控制系统实现驱动电机 启动电机达到一定高度停机 启动驱动电机 让过 过载区后启动抬耙电机到原始位置 参阅相干材料理解了自动控制平流式抬耙式刮泥刮渣机的构造和运行方式 根 据力学 材料 机构 自动化等方面的知识 针对要求而设计自动控制平流式抬耙 式刮泥刮渣机 希望达到可以全自动化控制 基本做到全自动控制 并且拥有手动 控制的能力用于检验 调试 试用的时候使用 工作平稳 超出载载或者碰到障碍 时能够蜂鸣报警并且自动停车 并且设计出的同自动控制平流式抬耙式刮泥刮渣机 具有故障率低 运行平稳 能耗低 体积小等特点的 1 5 维修与试运转维修与试运转常出现的问题与解决方法常出现的问题与解决方法 1 试运转 各零部件安装结束后 各部分经查看结实牢靠无故障后方可开车 先将池内注 满清水 按动按钮开始试运转 当刮泥机不间断运行 24 小时以上 经过查看无异样 后 才能注入污水 2 维修与保养 在维修保养时应做到 1 刮泥撇渣机运行时确保减速机润滑油油标的所处的刻度 带座轴承每月注 油 1 2 次 2 开机前查看升降钢丝绳是否有污物 升降限位紧定螺丝能否牢固 免得造成误动 作 3 查看水上零件联接能否松动 4 查看橡胶刮板侵蚀腐蚀重大时应予以替换 5 一年大修一次 3 行车结构变形 第 1 章绪论 4 产生原因 沉淀池底污泥形状为坡形散布 行车各部分受阻力不均 处理措施 因为排泥机各部位所收到的阻力不匀 造成的阻力差异 可在排泥 机两侧配重 使各部位的正压力平均 或在排泥机所受力较小的部分放置阻水板 使排泥机所受阻力大抵相当 就不会造成结构变形的不良结果 4 主梁发生变形 发生缘由 主梁设计欠缺 刚度较小 解决方法 设计时要考虑各个方面要做到面面俱到不要丢三落四 设计刚度要 足够 关于组装好并投入使用的刮泥机 采纳还原主梁的上拱度 后再角钢制造两 榀型钢梁 与原主梁制造成一体 3 啃轨与脱轨 产生原因 的取值不妥 两主动轮不同步 行车构造变形 车轮组装置偏LB 移等等 解决方法 为保证刮泥机正常运行偏斜时刮泥机结构不致楔住 以及减轻斜行 时啃轨 设计时必须使轮距与主梁跨度的比值 在设计时 应充沛思BL61 LB 考到主梁的刚度 用来减少主梁在水平面的弹性变形 一方面 在净水工艺平面布 置时 不应依照沉淀池侧面进水方法 轨道铺设应依照按照图纸中的技术要求铺设 车轮组制造要求可按桥式起重机技术规范执行 华北理工大学轻工学院 5 第第 2 章行车机构 刮泥板 刮臂设计章行车机构 刮泥板 刮臂设计 刮泥机的主要工作面就是刮泥板和刮渣板 连接刮泥板和刮渣板的就是刮 臂 行车机构是刮泥机的主体机构 根据任务书说给出的条件假定 平流式沉淀池长 15m 宽 6m 2 1 刮泥刮渣板的运动选择刮泥刮渣板的运动选择 根据所给的任务书可以选择得出刮泥板和刮渣板的运动方式为刮泥板刮渣 板在刮泥机开始工作时同时下降进行刮泥刮渣工作 抬耙时刮泥板刮渣板同时 上升到一定高度 刮泥板和刮渣板是由不同的驱动来提供动力 它们的的相互运动是由同一 套电气系统来控制 2 1 1 刮泥刮渣板结构设计刮泥刮渣板结构设计 1 刮板如图所示是由刮板 刮渣板 拖轮 铰链式刮臂 卷扬机组成 图图 2 1 刮板结构图刮板结构图 刮臂连接在桁架上 刮板下方是刮泥板和拖轮 卷扬机连接在刮板的中心 处 刮泥板工作时和沉淀池底部之间的角度为 60 度 刮泥板高度为 500mm 刮渣板高度为 150mm 刮板的材料是由沉淀池的污水决定的 如果污水含有碱性或者酸性物质时 华北理工大学轻工学院 6 可以采用一些抗腐蚀的材料如 陶瓷板 玻璃板 不锈钢板 塑料板等 如果 采用一些不抗腐蚀的材料如碳钢时要进行镀层处理完行防腐蚀 如果刮板采用 松木板是 为了加强木板的强度应该在木板两端设置卡箍用来防止木板开裂 对于一些大跨度的刮渣板为了确保刮板的水平刚度 刮渣板背面应设计一 个肋板 刮板的放置 刮板工作时应在水面以下 50 100mm 和沉淀池两侧距离为 20 100mm 不应距离过大防止刮泥刮渣不净 刮板的调整 根据污水液面的高度用螺旋升降装置进行调节 翻版装置 重锤式翻版装置 行车换向是依靠一个有重锤的杠杆碰撞挡块 使刮板抬起或落下 这种设计结构简单成本低廉 图图 2 2 结构设计图结构设计图 2 1 2 刮臂 刮板连接设计刮臂 刮板连接设计 1 选择材料 华北理工大学轻工学院 7 防腐蚀处理选择 Q235A 的方式来处理依据 机械设计手册 第一册表 3 1 45 碳素结构钢的应用刮臂 刮板的重量 4 毫米钢板 31 40kg m 3 毫米的钢板 重量为 23 55kg m 2 刮板结构见上图刮板的高度是 500mm 厚度是 4mm 长度为 6000mm 刮渣板的高度 150mm 厚度是 3mm 长度是 600mm 刮臂材料是不 锈钢管 挂板上的滚轮数量为 3 个 2 1 3 选择螺栓连接的方式 1 选择螺栓选择 M10 30 的螺栓根据 机械设计手册单行本 联接与紧固 表 4 1 75 螺栓总表 GB T5787 1986 4 76 P 2 螺栓重量计算 一个 M10 30 重量为 0 021kg 3 螺母的选择 选用 M10 六角螺母 C 级 根据 机械设计手册单行本 联接与紧固表 4 1 118 螺母总表 GB T41 2000 4 116 P 计算重量 M10 六角螺母每 1000 个重 8 31所以单重 0 00831根据 机械设计手 kgkg 册单行本 联接与紧固表 4 1 119 4 117 P 螺栓连接总重 8 0 02931 0 23448kg 所以单个组件重量 9 35 0 40 0 23448 10 01kg 2 2 排泥量和刮泥力的计算排泥量和刮泥力的计算 刮泥量的计算 排泥量要依据污水中除去的悬浮物的含量转算为含水率 的沉泥量计算 1 进水流量的计算 2 1 v Q t 对于矩形池 V WLH 2 2 式中 H 水池的有效深度 L 水池长度 W 水池宽度 t 沉淀时间 华北理工大学轻工学院 8 其中 H 3000mm 3m L 15000mm 15m W 6000mm 6m t 2h V WLH 3 6 15 270m3 135m3 h 2 3 v Q t 270 2 2 干污泥量计算 或 2 4 6 1 Q10QSS 干 6 12 Q10QSSSS 干 式中 SS1 沉淀池来水悬浮物含量 SS2 沉淀池出水悬浮物含量 悬浮物去除百分率 其中 SS1 400mg l 60 135 400 60 10 6 0 0324m3 h 6 1 Q10QSS 干 3 去除污泥量计算 2 5 100 100 QQ 干 去除污泥含水率 其中 98 2 6 100 100 QQ 干 3100 m 3 24 3 272 h 100 0 98 2 刮泥能力的计算 假定沉入池底的污水含水率是 98 通常刮泥机一天挂 3 到 4 次 污水刮 集 1 刮泥机每次最大刮泥量 2 7 1 kg lbh 1000 2 Q 次 次 2 3 行车机构的设计和计算行车机构的设计和计算 平流式抬耙式刮泥刮渣机的行车机构主要采用桁架结构 一部分可以用梁 氏机构 因为刮泥机要定时检修所以要铺设工作走道 2 3 1 行车机构的组成行车机构的组成 华北理工大学轻工学院 9 1 主梁的设计 由于刮泥机所受的动载荷和水平载荷的力不大 行车的主 梁依据静刚度条件计算选出断面 主梁能够看作简支梁 要就设计的主梁核心 挠度不大于跨度的 1 700 2 行车的宽度和轮间距的关系 依据任务书上的沉淀池为矩形 所以设计 刮泥机的前进的轨迹在沉淀池池壁的中心线上 行车前后车轮的间距之比为 1 6 1 8 跨度小的取后者 跨度大的取前者 3 行车组装的技术要求 1 车轮的轮距安装偏差不得大于 5mm 2 前后两个车轮跨度间距的相对偏差不能超过 5mm 3 前后两队车轮排列 两轮中心的两对角线相对误差不得超过 5mm 4 车架主要为钢结构 是由主梁 端架 水平桁架等焊接组成的 要求 要求所有焊缝应保证牢固 可靠 并清除飞溅物 氧化皮及焊瘤 并且不允许 有裂纹 夹渣和烧穿等缺陷 其中端架和水平桁架均由栏杆构成 计算可忽略 主要对主梁的受力进行校核 根据已知条件池宽为 6000mm 车轮跨距 L 应该比池宽宽 400mm 即一边 大 200mm 行车的车轮间距为 2 8 mm6400400 池 LL 行车车轮的尺寸布局主从动轮的轮间距 B 和跨距之比为 1 6 所以主从动轮 轮距为 2 9 6400 B 800mm 88 L 2 3 2 主梁的构成主梁的构成 主梁一般分为型钢梁 板式梁 箱形梁 L 形梁和组合梁五种种类 其许 用挠度小于 1 700L 1 型钢梁主要由工字钢或槽钢组成 2 板梁是由角钢和钢板复合制造而成 刚度比较大 制造简单 3 箱形梁是用平板制作而成的箱型结构 箱型机构抗扭刚度比较大 可以 用在偏心载荷较大的部位 通常箱梁的高度为 1 18 1 16 4 L 型梁是用 6 8mm 钢板折边成形 刚度较大 制作不复杂 能够用在 大跨度桁架 华北理工大学轻工学院 10 5 组合梁是由角钢 槽钢 钢管制造成的 本次设计主梁组成为桁架构造 本次设计主梁组成为桁架构造 主梁又型 钢梁组成 选用 28c 槽钢 主梁又型钢梁组成 选用 28c 槽钢 水平桁架是由 角钢焊接组成 走道板采纳了不锈钢网的设计 这样的设计不近提高了设备的 强度 而且减少了设备的体积和重量 降低了制作成本等好处 求要求所有焊 缝应保证牢固 可靠 并清除飞溅物 氧化皮及焊瘤 并且不允许有裂纹 夹 渣和烧穿等缺陷 其中端架和水平桁架均由栏杆构成 计算可忽略 主要对主 梁的受力进行校核 表表 2 1 槽钢的基本参数槽钢的基本参数 尺寸 mm 型号 hbdtrR1 截 面 面积 cm2 理 论 重量 Kg g 28c2808611 512 512 56 251 23440 219 2 3 3 主梁的强度和刚度设计计算主梁的强度和刚度设计计算 1 自重产生的弯矩 型钢梁的计算载荷 W 为 1234 WWWWW N 2 10 式中 1 W 钢结构重力 单侧主梁自重 1 2 水平桁架重 1 2 工作走道等重 2 W 设备重量 驱动机构 刮泥设备及刮渣部分 20000N 3 W 活载 一般取 1500N M 4500N 4 W 由刮板上的泥水阻力 刮渣阻力可忽略 对主梁所产生的力矩而 转化成主梁上的载荷 参照图 3 计算得 4 13 sin60cos6088303823 22 WPNN 刮 2 11 2 12 4000020000 4500382368323WN 最大弯矩 2 13 2 max 88 qLWL MKKNm 式中 L 主梁跨距 m 6m 华北理工大学轻工学院 11 K 载荷系数 取 1 2 14 max 68323 6 151242 8 MNM 2 最大剪力 2 qL QK N 2 15 式中 q 每米长的平均载荷 2 16 68323 11387 6 W N q m L 2 17 11387 6 134161 2 QN 最大剪力 Q 产生在左 右两端点处 3 桥梁断面的确定 断面模数为 2 18 3 max M Zm 式中 许用应力 170MPa 2 19 6 max 6 68323 124 10170 282 10 M PaMPa Z 4 挠度计算 看作简支梁计算 由均布载荷造成的最大挠度按下式计算 3 5 384 WL yy EI 2 20 式中 L 计算长度 m W 计算载荷 N E 材料弹性模量 Pa I 惯性矩 4 m y 许用挠度 L 700 6 700m 0 87cm 计算 2 21 3 98 5 68323 6 0 17 384 200 105500 10 ycmy 华北理工大学轻工学院 12 5 校核切应力强度 2 22 6 34161 6 668 106 668100 51 23 Q PaMPaMPa A 2 2 桁架结构计算与校核桁架结构计算与校核 桁架为二力杆件 使用所学的知识对桁架进行选择材料 力的计算 桁架的 校核 2 2 1 材料的选择材料的选择 想到行车架自重 设备及附加设备自重 而且考虑到活载 并考虑到一定 的实际出现的偏差荷载 再选用材料 选择热轧不等边角钢 9787 1988 如图 2 2 所示 GB T 选用热轧不等边角钢参数如下 表表 2 2 热轧不等边角钢的尺寸规格热轧不等边角钢的尺寸规格 尺寸 Bbdr 截面面积 2 cm 理论重量 mKg 表面面积 mm2 8050687 5605 9350 255 200125121437 91229 7610 641 2 2 2 桁架的内力计算桁架的内力计算 1 计算因自重而产生的杆件内力 图 5 为标有主要尺寸的刮泥机桁架简图 通常桁架跨距 L 与桁架高 h 之比 为 桁架跨距为 6400mm 因此桁架高取 1050mm 11 1210 图 2 3 桁架简图 华北理工大学轻工学院 13 1 自重所产生的杆件内力 由于设备和杆件的自重使构件产生应力 计 算时先将设计荷载 W 乘以荷载系数 K 得计算荷载 然后将计算荷载 分配到各个节点上 并算出各节点的受力和支座反力 2 杆件内力的计算 结点法可以结算杆的内力 用结点法计算桁架内力 轴力 时 取桁架的结点看成隔离体 轴力计算用节点处力的平衡方程计算 课的 一个节点都有一个力的平衡力系 都有 2 个独立色静力平衡方程 能就 算出两个未知数 实际计算时 要求未知力不多于两个的结点 顺次推算 结 点法适合于不复杂桁架的轴力计算 计算时 先假设未知杆件轴力为拉力 如 果得出的数值为负值 则为压力 为方便计算 在使用平衡条件求杆件轴力时 常常把斜杆的轴力正交分解为水平分力和竖向分力 计算时先将设计荷 载乘以荷载系数 得计算荷载WKWKW 计 设计荷载 选择荷载系数 68323WN 1 K 则计算荷载 2 23 68323168323WWKNN 计 由于是两榀桁架平均承受荷载 因此每榀桁架的荷载为 2 24 68323 34162 22 W WN 总 计 则各节点的计算荷载为 2 W 2 25 2 34162 4270 19 1 W WN n 计 两端节点的荷载均为 2 26 2 1 4270 2135 22 W WN 2 利用节点法计算各杆件的内力 因主梁设计结构为对称结构 故两侧的结构梁的内应力相等 因此计算量 减半 只需计算出一半的桁架杆件的内应力即可分析整个桁架的杆件受力 对其进行分析 并标定杆件代号 对各节点进行受力分析 分析与计算如下 1 对 点进行受力分析a X 方向 F 10 1杆受力为零 Y 方向 2 27 0 1 1 WF a点 1 F 1 F 12 W1 华北理工大学轻工学院 14 带入数值 2 28 1 21350F 计算结果 10 1 杆为零杆 1 2135FN 2 对 点进行受力分析b X 方向 2 11 2 1320 0 800 FF 2 29 Y 方向 1 2 1320 0 1050 A RFF 2 30 带入数值 2 31 2 13 2 1320 0 800 FF 2 32 2 1320 4270 2135 0 1050 F 计算结果 2 1698FN 11 2 2802F N 3 对 点进行受力分析c X 方向 11 3 11 2 0FF Y 方向 3 杆受力为零 代入数值 2 24 13 3 28020F 计算结果 13 3 2802F N 4 对点进行受力分析d X 方向 2 10 4 2 4 13201320 0 800800 FFF 25 F 13 2 F 2 RA F 1 b点 F 13 2 F 3 F 13 3 c点 F 12 4 F 4 F 2 W2 d点 华北理工大学轻工学院 15 Y 方向 2 26 2 2 4 13201320 0 10501050 WFF 代入数值 2 12 4 4 13201320 16980 10501050 FF 4 13201320 4270 16980 10501050 F 27 计算结果 4 5094 6F N 12 4 8539 3F N 5 对 点进行受力分析e X 方向 2 28 10 4 10 5 0FF Y 方向 2 29 0 2 5 WF 因为桁架结构为对称结构 相对称的杆件结构的受力相同 将各杆件内应力的计算数值填入内应力汇总表 表 2 4 并就计 算所得的内力数值进行汇总分析 表表 2 4 内应力汇总表内应力汇总表 F 5 F 12 5 F 12 4 W2 e点 华北理工大学轻工学院 16 2 2 3 梁强度校核梁强度校核 由于不同的杆件选用的型号不同 由 机械设计手册 单行本 常用工程材 料 查得杆件计算的基本公式 强度校核如下 拉伸 2 40 tp A P 压缩 2 41 cp A P 常用碳素结构钢许用应力值为 235Q a MP160 2 42 25218 6 65a 160 3791 2 P MPMPa A 杆件名称杆件内力 N 种类代号受拉受压 上弦杆 12 1 12 4 12 5 12 8 12 9 0 8539 3 4269 8539 3 4269 斜杆 2 4 6 8 10 1698 5094 6 8496 2 15289 11893 竖杆 1 3 5 7 9 0 0 2135 4270 4270 下弦杆 11 2 11 3 11 6 11 7 11 10 2802 25218 20948 2802 25218 华北理工大学轻工学院 17 2 43 11893 15 73160 756 P MPaMPa A 所以得出结论为 所选材料完全满足强度要求 2 3 4 传动长轴设计计算传动长轴设计计算 传动长轴的许用扭转角 查 给水排水设计手册 第九册表 7 9 取 0 25 1 长轴轴径的计算 为满足表列的许用扭转角 要求 传动长轴的轴径 d 可按式 38 计算 2 44 0 5mv s 4 0 42 n dM m 式中 计算扭矩 n M N m d 长轴直径 m 当驱动扭矩置于长轴的跨中传动时 两侧轴的计算扭矩应力为总扭矩 的一半 n M 总 2 45 n 11 9550 m 22n n N N MM 总 式中 计算功率 N KW 长轴的转速 n r min 2 46 11220 9550 756 221390 nn N MM m 总 2 47 4 4 0 420 427560 052 n dMm 故长轴直径取 55mm 2 长轴轴承的间距 一般对于传动长轴 应该放置支承 采用有调心轴承 的轴承用作支撑 轴承之间的最大距离按式 40 估算 1 l 2 48 32 1 l 110 dcm 式中 长轴的直径 d cm 4 50 3322 1 110110 5 5343ldcm 华北理工大学轻工学院 18 长轴的联轴器常用如图所示的夹壳联轴器或图 2 所示的链轮联轴器 为了 减少轴受的弯力 一般将联轴器的位置设置在靠近轴承支座的位置 图 2 5 链轮联轴器 第 3 章驱动机构的设计计算 19 第第 3 章驱动机构设计与计算章驱动机构设计与计算 行车车轮的驱动形式基本上有分离驱动 双边驱动 和集中驱动 长轴驱动 两种安 放安置形式 依据两种布置方式的优缺点来确定设计中行车车轮的布置方式 1 分离驱动 两个独立的驱动装置驱动行车两侧的驱动轮 两侧的驱动装置均 以一样的结构机件组成 而且一定要同步运行 分别驱动与集中驱动相比 由于省 去了传动长轴而使驱动机构的自重减轻 同时也为安装和维修带来了极大的便利 2 集中驱动 一般由电动机减速器传动长轴 轴承座和连轴器等部分 这一 驱动方式在行车式吸泥机中运用较为广泛 位于长轴的中间位置处布置驱动机构传 递的扭矩 用来保证两侧驱动轴的扭转角一样 避免了车轮的轨迹的偏移 3 1 驱动方式的选择驱动方式的选择 根据题目要求 驱动机构选用集中驱动 图 11 为集中驱动机构 在刮渣刮泥 机中应用的较为普遍 通常由电动机 减速器 传动长轴 轴承座和联轴器等组成 驱动机构传递的扭矩长轴的跨中位置 以保证两侧驱动轴的扭转角相同 避免车轮 走偏 图 3 1 集中驱动机构 第 3 章驱动机构的设计计算 20 3 2 车轮及轨道的确定车轮及轨道的确定 查阅 给水排水设计手册 第九册 可知 刮泥机的车轮踏面 一般有实心橡 胶车轮或圆柱形双轮缘铸钢车轮两种类型 实心胶轮的形式有压配式 螺栓连接式 和固定式三种 其规格尺寸与最大承载量的关系可以由 给水排水设计手册 第九 册 表 7 11 中查得 使用无轮实心橡胶轮时 应在刮泥机行车两侧的前后设置水平 橡胶靠轮 此靠轮沿池壁滚动起到限位导向作用 因本次设计所选用的车轮为圆柱 形双轮缘铸铁车轮 故不予详细论述 3 2 1 车轮的确定车轮的确定 本次设计中所采用的车轮类型为圆柱形双轮缘铸铁车轮 使用这种有轮缘的铸铁 车轮时 因为两侧车轮运行不同步 所以它有自动调整行走轨迹的安全保护作用 设计刮泥机总重力为 行车行驶车轮共 4 个 车轮材料 68323WN 总 ZG270 500 选用钢轨 车轮轮轴为 查 常用金属材料实用手册 22Kg m55mm 钢轨的基本参数如表 3 1 表表 3 1 钢轨的基本参数钢轨的基本参数 截面尺寸 mm 钢轨型号 ABCt 截面面积 cm2 理论重量 Kg m 2293 6693 6650 8010 7228 3922 30 每个车轮的轮压为 3 1 68323 17081 44 WN PN 总 铸钢车轮的直径按车轮的工作轮压来计算 查看得 给水排水设计手册 第九册 第 3 章驱动机构的设计计算 21 3 2 2 rbC KP D 式中 P 工作轮压 N K 轮压不均匀系数 b 钢轨轨顶宽度 m r 钢轨顶圆角半径 m C 应力系数 查 给水排水设计手册 第九册 表 7 10 选取MPaC6 钢轨标准按 GB11264 查 常用金属材料实用手册 得 cmb08 5 cmr794 0 则铸钢车轮直径 3 3 62 2 1 1 17081 6 105 082 0 79410 0 39 a KP D C br N P m 依据车轮转速的条件取车轮的直径4200 42Dmmm 想到温差的影响车轮的安装误差与行车 车轮凸缘的内静间距应与轨顶宽度间 设计一定的间隙防止机构热胀冷缩 其示意图如图 3 2 所示 其间隙值为 mm20 15 取 16mm 第 3 章驱动机构的设计计算 22 3 2 2 轨道的铺设要求轨道的铺设要求 1 钢轨的铺设以池壁顶面 或外伸的牛腿梁面 为基础 所以 安装钢轨时要 求池壁的顶面平坦 2 钢轨的型号 一般选用轻轨 跨度较小者可选用较小的钢轨 也可 用型钢代替 3 钢轨铺设技术要求 1 轨距的偏差不超过 2 轨道纵向水平度不超过 3 根据规定两平行轨道的相对高度不能超过 5mm 4 两平行轨道接头位置应错开地方放置 其错开的轮间距应大于轮距 5 两平行轨道接头用鱼尾板衔接 其接头左 右 上三面的偏移均不能超过 1mm 接头间隙不应多于 2mm 4 轨道基础板 垫板及压板等固定设施应在每间隔 1000mm 左右处设置一套 在平整度调整好后 应将轨道固定 3 2 3 轨道的选择轨道的选择 轨道的选择和选择的车轮的轮压有关 同时也受轨道铺设地面的土质的影响 图 3 2 钢车轮与钢轨的配合 第 3 章驱动机构的设计计算 23 因而选择轻型轨道作为刮泥机行车的轨道 而且将钢轨在混凝土面上平整铺设 查 给水排水设计手册 第九册 当钢轨在混凝土面上作平整铺设时 钢 轨计算应力计算式为 3 4 轨轨 WbF P 64 9 a MP 式中 P 轮压 N B 轨底宽度由 常用金属材料实用手册 表 4 54 查得0 9366bm W 钢轨断面系数 3 6 69 cmW F 基础的支承压应力 选取基础的支撑压应力为F a MP5 1 轨 钢轨的许用应力 取 轨 100MPa 3 5 633 9 64 9 17081 64 69 6 100 93661 5 10 24 a a P WbF N mmP MP 轨 已知钢轨的许用应力为 100 轨 a MP 轨轨 故设计所选用的钢轨完全合格 3 4 驱动功率计算驱动功率计算 驱动功率的确定 刮泥机驱动功率主要由刮泥机在工作时所受的刮泥时泥和池 壁阻力 行驶时受的摩擦力阻力 风阻力和道面坡度阻力等阻力总和计算确定 1 刮板集泥时所受的阻力 3 6 g 1000PQ 刮次 式中 g 重力加速度 污泥与池底的摩擦系数 第 3 章驱动机构的设计计算 24 其中 g 9 81 取 0 1 2 m s 3 7 g 1000 9001 9 81 0 1 1000 8830PQN 刮次 2 刮渣能力很小 可以忽略不计 3 行车行驶阻力 3 8 1d 2 1 3 K PW D 总驶 式中 W总 刮泥刮渣机总重力 包括活载 N 设 W总 68323N 1 轮轴与轴衬的滑动摩擦系数为 0 1 d 车轮轮轴直径 cm d 55cm D 车轮直径 cm D 420cm K 车轮滚动摩擦力臂 cm 铸钢滚轮与钢轨的摩擦力臂为 0 05cm 3 9 1d 2 0 1 5 52 0 05 1 3 1 3 683231375 42 K PWN D 总驶 4 风阻力 3 10 P qAC 风 N 式中 q 基本风压 按表 给水排水 第九册 7 17 取值 100 A 刮泥刮渣机的有效迎风面积 m2 A 3m2 C 体型系数 C 1 5 3 11 P q 3 1 5450ACN 风 N 100 5 道面坡度阻力 3 12 PW K 坡总坡 N K坡 道面坡度阻力系数一般取 1 1000 68323 68N 3 13 1 1000 PW K 坡总坡 第 3 章驱动机构的设计计算 25 6 驱动功率的计算 3 14 60000 Pv N m KW 其中 阻力总和 PPPPP 泥 坡曳驶 式中 V 刮泥刮渣机行驶速度 minm h 总机械效率 取 0 75 m 电动机台数 取 1 3 15 8830 137545068 1 0 24 6000060000 0 75 1 Pv NKW m 选用 0 75KW 电动机 电动机型号为 Y802 4 封闭式三相异步电动机 3 5 卷扬装置的设计计算卷扬装置的设计计算 已知升降机构采用卷扬式提升装置 卷扬速度为 3 17m min 卷扬式提升机构如图 15 卷筒上的钢丝绳与刮臂上的吊点相连接 选用耐腐蚀 的 1Cr18Ni9Ti 不锈钢丝绳当成钢丝绳的的材料 刮臂材料选用 8 号热轧等边角钢 其主要参数查 常用金属材料实用手册 表 4 44 见表 3 通过钢丝绳的卷扬来完 成提升和下降的动作 提升功率根据起吊力和起吊速度确定 钢丝绳的安全系数不 小于 5 卷筒直径不大于 20 倍钢丝绳直径 在刮泥板放至池底时 卷筒上保留 3 圈 钢丝绳 表表 3 2 等边角钢的尺寸 截面面积 理论重量等边角钢的尺寸 截面面积 理论重量 尺寸 mm 型号 bdr 截面面积 cm2 理论重量 Kg m 外表面积 m2 m 8807910 868 5250 314 3 5 1 刮泥板起吊时的受力分析刮泥板起吊时的受力分析 已知刮板升降机构采用卷扬式提升装置 卷扬速度为 3 17 m min 由于刮板起 第 3 章驱动机构的设计计算 26 吊时 刮臂与池底的距离不同 受力也不同 故做一下受力分析 1 当刮泥板处于刚离开池底时的受力状态 如图 3 6 图 3 6 刮泥板刚吊离池底时的受力状态 设 P1 支承托轮的重力 82 N P2 刮泥板的重力 700 N P3 刮臂的重力 1800 N P4 刮渣板的重力 300 N Tv 钢丝绳吊点 处的竖向分力 N T 钢丝绳起吊时的张力 N 3 16 1 1223344 1234 0 L cos f V V yV M TPxP xPxP xN T TN FTPPPPN 3 17 1234 22020510015 sin30 8